一、元件阻抗的测量
我们日常使用或工厂生产的无源器件(主要指各种电感、电容、电阻)均标有一定的数值,从使用的角度说已确定了该元件的数值(标称值),实际上存在下列三个因素需要对元件进行测量。
1、 工厂生产的元件均标有一定的偏差,使用元件是否满足该偏差要求,需要进行测量方能获得准确数值。
2、 工厂生产的元件是在某特定条件下获得(如测试频率、测试电平、偏置电平等),与使用条件不尽相同,而使用者更多地需了解实际使用条件下元件的参数状况。
3、实际上,理想单纯的电感器、电阻器、电容器是不存在的。所有元件并非理想器件,包含有各种寄生参数,因此还需对元件的寄生情况进行测量,这对元件的正确使用来说是极其重要的。
以电容器C为例,寄生参数包括引线电阻Rs和电感Ls,材料的绝缘电阻Rp2,电容器两端的分布电容Cp和电阻Rp1,有些寄生参数在使用条件下可以忽略,但有些是绝对不能忽略的。
当电容C较大时,引线电阻Rs是主要发热部件,该值过大,在高频大电流使用时可能会产生炸裂的严重后果。
阻抗Z表示为在对一电子装置或电路施加某一定频率的正弦交流电时所遇到的总阻力,其在复数平面上以矢量表示。也可以阻抗的倒数导纳Y(Y=1/Z)表示。
元件阻抗是一复杂的量值,且随施加其上的信号频率和电压的变化而变化,LCR数字电桥的测量目的不仅是测量电感(L)、电容(C)、电阻(R),还需获得描述元件的各种参数:阻抗Z、电抗X、电导G、电纳B、损耗D、品质因素Q、相位角θ,仪器测量时并不直接测量某单个参数,而是测量复阻抗,然后按照其相互关系转换成所需测量参数。
二、阻抗测量方法简述
上图为简化的低频阻抗测量示意图,通过此图可以大致了解阻抗测试过程。图中,OSC为信号频率与电平一定的纯正弦信号源,该信号源通过信号源内阻施加于被测器件(DUT)Zx,Hpot和Lpot采样施加于DUT上的电压Edut,Hcur为信号源输出端,Lcur为电流检测端,流过DUT的电流Ix经Lcur经运放(I-V转换器)通过标准电阻Rs转化为电压Err。Edut、Err经检相PD、AD转换器ADC送至CPU,分别计算得到所需的阻抗参数。
各类仪器测试电路的实际配置会有很大不同。宽带高精度LCR表和阻抗分析仪所使用的I-V转换器包括复杂的null检波器、相位检波器、积分器和矢量调制器,以保证在宽频率范围内的高精度。
三、元件量值与特定要素的相关性
一般地,每种LCR测量仪器均会给出特定的测量条件,如测量频率、信号电平、直流偏置等,这些条件的设定规定了仪器的适用范围。由于被测元件在各种使用条件下呈现不同的特性,因此正确认识元件与使用条件的相互规律----------相关性是极为重要的。仪器的测量条件应尽可能真实地反映元件的使用条件。
1、测试信号频率相关性
所有元件均与信号频率有相关性。其变化的大小主要取决于元件寄生(杂散)参数的大小,使用仪器时可能仅考虑了串联和并联两种等效方式,真正的元件等效模式可能远比串联和并联等效复杂的多。
2、 测试信号电平相关性
所有元件均存在信号电平的相关性。即在规定测试频率下,元件数值与信号电平的大小有关。有些元件数值对电平的变化不敏感,然而有些元件对信号电平具有极强的敏感性,如高K(高介电常数)值的陶瓷电容器,高导磁率的电感器等。因此,对此类器件规定其测量信号电平(电压或电流)是非常重要的。
3、直流偏置相关性
元件与施加其上的直流偏置电压或偏置电流存在相关性。在元件的各种使用场合,交流与直流信号叠加使用是极为普遍的。如二极管、三极管的结电容,高K的陶瓷电容器、电解电容器、带瓷芯的电感器或变压器等。其上所叠加的直流电压或电流的不同便会引起参数的变化,某些器件参数可能会产生剧烈的变化。
4、与其它因素的相关性
元件参数主要取决于上述几种条件,然而像时间(元件参数随时间的变化)、温度、湿度、压力、磁场等环境条件也是不能忽略的。